基于人因工程的雷达显控台设计研究*

张梁娟，胡长明，江 帅，田 胜

（1. 南京电子技术研究所，江苏 南京 210039；2. 中国电子科技集团公司第十四研究所，国家 级工业设计中心，江苏 南京 210039）

引 言

雷达装备作为“三军之眼”，是获取陆、海、空、天战场全天候战略情报的重要手段之一。在信息化的发展趋势下，雷达操作人员需及时关注战场态势并迅速作出决策，雷达装备的人机功能分配、操作可靠性、人员舒适性与作战效能密切相关。

雷达显控台承担雷达状态的监控、信号检测、目标监视及目标参数读取等功能，作为雷达装备中用户参与度最高的人机系统，具有技术要求高、使用环境恶劣、安全可靠性要求高、人机交互密切等特性[1]。雷达性能技术指标在持续提升的同时，操作人员需要处理的信息量也在大幅增加，因此如何提升雷达显控台在便捷操作、高效交互、舒适使用等用户体验方面的性能成为雷达装备研制过程中的重要内容[2]。

本文以雷达显控台为对象，基于人因工程理论，开展了设备工效性设计和交互界面设计，并通过数字化建模仿真对设计对象进行人机系统评估，最后对雷达显控台人因工程技术的未来发展方向提出建议，以促进人因工程技术在雷达显控台设计中的广泛应用和蓬勃发展。

1 人因工程概述

1.1 人因工程定义

目前，人因工程在国际上尚无统一的术语，北美多称“人因工程学”，欧洲则称“工效学”，我国学术研究领域称“人类工效学”，在大多数实际应用中，可将上述术语视为同义词。根据国际工效学联合会对人因工程学的定义，人因工程主要研究人在工作环境中操作机器的工作效率，人的健康、安全和舒适性等问题[3]。人因工程的核心是以人为本，着眼于提高人的工作效率，防止人的失误，在人员安全舒适的条件下，统一考虑人-机-环境系统总体性能的优化。

1.2 人因工程发展历程

人因工程学最早出现于19世纪末20世纪初，美国管理学家F. W. Taylor通过著名的铁锹实验，研究工具对人的生产效率的影响，标志人因工程学的萌芽[4]。第一次世界大战期间，为了使操作人员适应飞机、潜艇等现代化装备，各国开始重视人员的选拔和训练，人因工程学得到进一步发展，该时期的研究特点是强调人对机器的适应。第二次世界大战期间，高性能、大威力的武器装备投入使用，但新式的武器装备操作复杂，不符合操作人员的生理、心理特点，事故率不断上升，人们逐渐意识到“人”的重要性，在设计武器装备时更多地关注人的生理、心理负荷和疲劳特性，该阶段人因工程学的研究重点从人对机器的适应转向机器适应人。20世纪60年代以后，伴随工业化水平的提升，自动控制装置开始广泛使用，人-机-环三者之间的关系愈发复杂，人因工程学的研究重点从人机关系研究变为人机交互研究，涉及的相关专业也不断拓展，主要有生理学、心理学、管理学、解剖学等[5]。美国工程院院士Gavriel Salvendy编撰的《人因和工效学设计手册（Handbook of Human Factors and Ergonomics）》系统而全面地介绍了人因工程的细分领域，涵盖了大量研究案例和试验数据，促进了人因工程学在国际上的迅速发展[6]。

我国人因工程学起步较晚。1985年，文献[7]基于载人航天的研究工作概括性地提出“人-机-环系统工程学”的学科概念，强调了人因工程学的广泛应用和系统工程的特点，推动了人因工程学在国内的起步及发展。1989年，中国人类工效学学会（Chinese Ergonomics Society, CES）的成立，标志着我国人因工程学进入快速发展阶段。在民用产品方面，人因工程学在汽车行业和民机行业得到迅速发展，在产品的设计过程中充分融入了人因工程设计和评估方法，有效提升了产品的用户满意度[8-10]。在军事装备方面，航天航空和海军装备相关单位在人因工程学领域开展了大量研究工作。中国航天员中心成立了人因工程国家级重点实验室，系统研究航天飞行中人的防护需求和能力变化规律，为载人航天工程发展提供技术支撑[11]。中国船舶工业综合技术经济研究院成立了舰船人因工程实验室，完成深海隔离密闭训练系统、舰船人因工程辅助设计系统、人因工程学座椅等科研项目，助推海军装备人机系统使用效能的提升[12]。在雷达装备领域，针对显控台人机交互密切的特性，国内学者结合人体尺寸数据、操作习惯和造型风格，开展了基于工作空间、视野和操作范围、显控交互界面的显控台人性化设计研究[13-16]。

以中国电子科技集团公司第十四研究所工业设计中心为代表的科研单位结合我国雷达装备研制的实践经验和人因工程理论，研制了一系列造型美观、交互高效、使用舒适的雷达显控台，如图1所示。舰载系列显控台具有环境适应性强的特点，以海燕为形象参照，塑造灵动、稳健、刚柔并济的风格形象；车载、地面系列显控台具有可靠性高的特点，以盾牌为形象参照，塑造硬朗稳健、富有威慑的风格形象；机载系列显控台具有轻量化的特点，以雄鹰为形象参照，塑造锐利机警、轻盈精巧的风格形象。家族化的造型设计结合铸造、钣金、机加工、碳纤维铺层、亲肤涂层等多种工艺方式，提升显控台在力学、美学、人因工程学等方面的综合性能，在方舱、指挥大厅等多种场景（图2）下得到充分验证和应用，获得用户的一致好评。

图1 雷达显控台设计案例

图2 雷达显控台应用场景

1.3 雷达显控台人因工程设计要点

人因工程作为综合性、多学科融合的交叉学科，在工程技术领域的应用十分广泛，人因工程设计逐渐成为产品设计流程中的重要环节。为满足现代化作战需求，雷达显控台需要显示的目标信息量成倍增长，给操作人员的生理和心理带来巨大的工作负荷。雷达显控台的人因工程设计需从设备工效性设计、交互界面设计和人机系统评估三方面着手，以降低操作人员的工作负荷和疲劳度，提升操作效率和体验舒适性。

1.3.1 设备工效性设计

作为复杂人机系统，雷达显控台设备工效性的优劣影响到操作人员能否及时接收和处理大量的监测信息，与雷达装备的任务完成效率息息相关。显控台的设备工效性设计应基于容膝空间、人体手部操作范围、人体视线区域等人员生理特征，结合显控台的显示器、按钮、键盘、鼠标、操作面板等器件的使用特性，更多从操作和维护便捷、用户体验舒适等方面考虑，提出设备工效性的系统解决方案。

1.3.2 交互界面设计

雷达显控软件需要满足各种复杂作战场景下的作战要求，其交互界面具有功能复杂、要素繁多、信息量巨大等特点。信息量的增加和交互方式的多元化导致用户对人机交互界面在稳定性、易用性、高效性方面的要求越来越高。雷达显控交互界面的设计应该以提高用户的认知效率和交互体验、提高作战效率为目标导向，通过信息可视化、设计美学等技术方法，完成信息架构、操作流程、交互方式以及风格、布局、色彩等视觉显示要素的设计，为用户提供一个高效自然的人机交互界面。

1.3.3 人机系统评估

人机系统的评估是产品研制过程中评价人因工程设计水平优劣的必要环节，对设计指标的迭代优化有重要作用。雷达显控台的人机系统评估主要分为试验测试和仿真分析。在试验测试方面，美国以国际标准ISO13407（以人为中心的设计方法）为基础，在NASA装备研制中形成人因测试相关标准并加以应用[17]。国内目前缺乏系统化、标准化的雷达显控台人机系统测试方法，未建立统一的测试流程和可量化的评价指标。在仿真分析方面，美国的Simens JACK，德国的RAMSIS，英国的SAMMIE等商业软件可基于人体尺寸数据建立三维数字人体模型，完成雷达显控台人机系统的数字化建模，实现操作人员在疲劳、负荷、作业能力等方面的预测，节约产品研发时间和成本。

2 雷达显控台设备工效性设计

雷达显控台设备工效性设计从用户实际需求出发，以人体尺寸数据为基础，确保结构尺寸的紧凑、合理，满足人员视觉和触觉的操作要求。同时充分考虑设备维护性和人员舒适性，从快速连接件、座椅、台面等方面营造良好的用户体验。

2.1 工作空间设计

雷达显控台操作人员执行任务时的主要场所一般为雷达车的方舱、舰艇的船舱等，具有空间狭小、环境较差的特点。为确保操作人员安全、高效、舒适地完成各项操作任务，显控台工作空间设计应考虑显控台单席位及多席位时的布局关系，结合人体基本尺寸参数，为操作人员留有足够的活动余量。雷达显控台自身的工作空间设计主要涉及台面高度和容膝空间。显控台操作人员的工作状态主要为坐姿操作，当人处于上臂自然下垂、前臂接近水平的状态时最不易疲劳，因此台面高度应与坐姿下人的肘高一致。容膝空间应保证人员腿部的自由伸展，由台体的深度和台面厚度决定。为保证大多数操作人员的使用需求，工作空间设计一般以男子第95百分位数（P95）尺寸来确定[18]。

2.2 可操作性设计

设备的可操作性设计是雷达显控台设备工效性设计的重要方面，与坐姿状态下人员的工作区间和视线区间密切相关。显控台工作区间设计应结合手操作区域和台面设备操作频率需求。键盘和鼠标为操作频率最高的设备，布置在手的舒适操作区。触控一体机、标准操控模块、语音通讯终端操作频率次之，布置于有效操作区内。坐姿显控台基准眼位是设计视觉条件和确定控制室盲区的基准，显控台视线区间应以基准眼位来设计。操作人员处于正直坐姿时，眼位在控制台台面前缘的垂直基准线上，其高度为座椅面高度和坐姿眼高之和。人的坐姿自然视线要与显示器屏幕垂直，显示器屏幕与垂直面夹角的最佳值为15°。雷达显控台的工作区间和视线区间示意图如图3和图4所示。

图3 工作区间示意图

图4 视线区间示意图

2.3 维护性设计

维护性的好坏决定雷达显控台故障修复时的难易程度和对现有功能改进的可能性，影响平均修复时间的长短。雷达显控台的维护任务主要包含显示器维护、台面设备（如键盘、鼠标、操控模块）维护、后部线缆维护以及台体下方内部机箱、插件（如显控模块、KVM模块、电源模块）的维护。雷达显控台站姿和蹲姿的维护状态如图5所示。

图5 维护状态

维护性设计应充分考虑人员维护时的动作特点。因显控台设备尺寸的限制，人员进行机箱、插件的维护操作时通常处于蹲姿状态，带来了极大的工作负荷和生理疲劳，因此需重点关注该维护状态下的维护性设计。此外，台面上部设备的维护空间应满足人员手部操作的最大范围。因此，利用快速连接件实现显控台基座转动、键盘翻转、台面上翻等（图6）设计，减轻人员维护时的生理负荷，是提升雷达显控台维护性的有效措施。

图6 维护性提升设计

2.4 舒适性设计

由于服役环境的特殊性，在设计雷达装备时会充分考虑振动、冲击等恶劣条件对设备正常运行的影响，而对恶劣环境下操作人员的舒适性关注度不够。雷达显控台舒适性设计可从人体的感官需求（触觉、听觉、视觉）出发，结合雷达显控台的自身特点及舱室环境的外部影响，基于用户体验数据的调查和分析，形成个性化的舒适性解决方案。针对常见的台面冰冷、座椅体感较硬、舱室噪声大、显示器屏幕眩光等显控台舒适性问题，可通过台面自适应加热和亲肤涂层、座椅软材料填充、设备降噪设计、舱室自适应灯光等手段进行优化。

3 雷达显控台交互界面设计

雷达显控交互界面设计面向用户和作战，以用户体验为中心，涵盖显控信息层、交互层、表现层等要素设计，设计架构如图7所示。

图7 雷达交互界面设计架构

信息层通过目标导向设计、认知降维设计等技术方法，完成用户目标确认、功能需求分析和信息架构设计，提供清晰的信息组织、信息导航和逻辑结构，辅助用户更好地完成信息决策。交互层通过人因工效分析、交互原型设计等技术方法，完成操作流程、交互框架和交互方式设计，构建交互原型DEMO，为用户带来高效快捷的操作体验。表现层通过信息可视化、设计美学等技术方法，完成界面风格、布局、色彩、控件、图标等显示要素设计，输出高保真界面效果图，实现人机交互界面的友好易用。

3.1 信息架构设计

雷达显控界面信息由目标信息、状态信息和操控信息等构成，包括图像、文本、控件和图表等信息元素。信息架构设计可以有效改善雷达界面的整体导航性，提升操作效率，降低雷达操作员的认知成本，是雷达显控界面质量的保证。

首先要根据雷达探测的作战场景、操作员的用户角色、不同席位的功能划分和任务目标下对信息的不同使用需求，对界面信息进行整理，确保不同阶段获取的信息完备清晰。获取信息后，从信息分类、信息结构和信息优先级三个方面对信息进行组织。在雷达显控界面设计中，为了减少人因失误，一般采用模糊分类与精准分类相结合的方式对信息进行分类。信息结构方式一般采用层级结构或矩阵结构，根据信息的重要性进行优先级排序和布局。此外，导航系统、标签系统和搜索系统决定着信息构架的完整性和易用性[19]。

3.2 交互操作设计

雷达显控交互操作设计的目标是提高系统的可用性，提高用户在使用过程中的流畅性[20]。现有雷达显控界面交互一般以键鼠交互为主，也存在语音、触控、手势等交互方式。语音用于快速传达或接收指令，触控和手势相比键鼠操作更符合人的生理习惯。通过多模态交互协同操作，可以帮助用户更快适应显控界面操作，操作更加方便快捷，可提高人机工效。手势和语音交互示例如图8所示。

图8 手势和语音交互

交互操作应以简单快捷为原则进行设计。同类操作模块关联集成，常用操作入口清晰易找，多步操作提供操作引导；操作步骤简洁，提供及时的操作反馈；提供缺省值和快捷键，支持用户快速输入数据，以减轻用户在操作过程中的记忆负荷；有时序要求或逻辑关系的界面操作，交互方式保持一致，以降低用户学习成本；对于关键性操作，在执行前提供操作确认，以减少用户误操作。

3.3 视觉表现设计

雷达显控界面的设计要素包括风格、布局、色彩、文字、控件、图标等[21]。某雷达显控交互界面如图9所示。

图9 某雷达显控交互界面设计

雷达显控界面的设计风格应以简洁直观为主，多用深色背景，色彩以偏蓝、灰色调为主，视觉刺激相对较小，不易造成视觉疲劳。显控界面主屏通常以P显、H显或地理信息系统等态势显示为中心，将其他功能模块置于四周。副屏以信息显示为主，各功能模块布局依据显控任务可定制化显示，按需显隐。控件采用扁平化科技感样式，大小需符合视觉认知，图标应简洁直观，语义明确，易于识别。

雷达显控交互场景包含大量的可视化元素，如雷达装备、目标航迹、提示信息等。通过信息可视化设计，可以提高对关键信息的认知效率，色彩编码和图形化是最常用的方法。色彩编码应当符合标准规范和用户习惯，通过色彩突显重点态势目标，弱化信息干扰，加强视觉分割，提供视觉线索，达到有效引导用户视觉注意的目的，提升认知绩效。图形包括图表和图标等类型。图表通常采用饼状图、柱状图、折线图、散点图、雷达图、甘特图等可视化方式。可视化示例如图10所示。

图10 信息可视化示例

4 雷达显控台人机系统评估

雷达显控台人机系统评估作为人因工程设计的校核环节，其主要目的是利用测试仪器、仿真软件等手段对人体尺度、舒适度、疲劳值等人的生理、心理指标进行评价，协助设计的迭代优化。目前缺乏标准化的雷达显控台人因测试流程和评估指标，因此通过数字化建模仿真开展雷达显控台人机系统评估的研究方式更为主流[22]。

在工程产品研发制造数字化的大趋势下，计算机技术迅速发展，设计师利用人因工程设计仿真软件进行数字化建模和仿真能够在短时间内获得较为精准的结果，可节约50%以上的产品研发时间和成本，在汽车、航天航空等领域的产品设计中得到了广泛应用。本文采用Simens JACK数字人体建模和仿真软件对雷达显控台进行可视域分析、可达域分析、快速上肢分析和舒适性分析。

4.1 人机系统建模

将雷达显控台模型导入JACK软件中，以中国军人人体测量数据为参考同步建立人体模型。根据实际情况调整人员操作姿态，完成JACK环境下的显控台人机系统建模，如图11所示。

图11 显控台人机系统建模

4.2 可视域分析

雷达显控台的屏幕、操控模块、触控模块、键盘等与人体视觉相关的设备应布置在人的视野范围内，尽可能使操作人员不必移动身体和转动头部就可看清所需信息。利用Vision Analysis工具分析处于最优显控台操作姿势下第50百分位数（P50）尺寸数字人模型的可视域，观察时的视距设定为560 mm，结果如图12（a）所示。从图可知显示器上下双屏及台面操作设备均涵盖在可视域中，符合视野的设计要求。

4.3 可达域分析

设备布局是否满足人的正常操作距离要求与雷达显控台的安全、高效息息相关。利用Reach Zones工具分析第5百分位数（P5）尺寸数字人模型的手部最大触及范围，分析条件中补充引入肩部和腰部的运动，仿真结果如图12（b）所示。从图可知操作人员手部的运动轨迹图包含了所有台面设备，符合可达域的设计要求。

图12 可操作性分析

4.4 快速上肢分析

快速上肢分析功能（Rapid Upper Lamb Assessment, RULA）是对某工作姿态下操作人员的上肢状态进行评价。雷达显控台的人员操作任务主要为手部与台面上方设备的交互动作，腿部基本为静止状态，适用于RULA的使用要求。

评价结果共分4个等级，人员姿态与人机设计要求越接近分数越低：1～2分表示可接受；3～4分表示需进一步研究或可能需要改变姿态；5～6分表示要尽快研究和改变姿态；7分表示要立即研究并改变姿态。如表1所示，上臂、前臂和躯干的得分在2～3分之间，说明上述部位在该姿态下会引起一定的疲劳；其余部位得分均为1分，说明完全满足人机设计要求。综合得分为2分，说明操作人员在使用雷达显控台时上肢疲劳度可接受，满足舒适性要求。

表1 快速上肢评价结果

4.5 舒适性分析

舒适性分析工具中的Porter舒适性参数是对操作人员在工作状态下的关节弯曲合理性进行评价。评价结果表征人员关节弯曲角度实测值与典型值（大多数人员可接受的数值）之间的差值。评价结果的数值越接近0，表示舒适性越高，反之，则舒适性越低。若数值在限定的关节弯曲角度范围内（图13中短黄线位置），则评价结果为绿色，表示当前状态下的人员工作姿态满足人因工程要求；若数值超过限定的关节弯曲角度范围（图13中短黄线位置），则评价结果为黄色，表示需对人员工作姿态进行调整。

雷达显控台的Porter舒适性参数分析结果如图13和表2所示。从图13可知：头部、大腿的实测值与典型值比较接近，舒适性好；上臂、肘部、膝盖、小腿的实测值与典型值的差值相对较大，与临界值接近，但仍在可接受范围内，满足人因工程的舒适性设计要求。

图13 Porter舒适度分析

表2 舒适性参数分析结果(°)

5 结束语

人因工程是新兴的综合性交叉学科，聚焦于解决“如何提升产品的好用程度”的工程问题。在智能化背景下，为解决传统雷达显控台交互方式操作步骤多、操控时间长、控制不灵活等问题，多模态交互技术在显控台设计中的应用已成为未来发展趋势，通过触控、语音、手势、眼控等多种方式完成交互操作，对视觉、听觉、体感等多种感官进行融合，具有直接、快速、自然的交互特点。此外，伴随人工智能技术的不断发展，监视控制、信号检测、目标监控等雷达显控台所需处理的任务极有可能由人工智能来完成。如何处理好人的主观信息与机器的客观数据之间的协调关系、实现人-智能相互融合将成为促进雷达显控技术进步需要考虑的问题。

未来雷达显控台设计应结合新技术、新方向，进一步加强人因工程理论和技术在产品研制全生命周期中的应用，不断提升雷达装备的用户体验和作战效能。